DE3033280A1

DE3033280A1 - Kurs-lage-referenzgeraet

Info

Publication number: DE3033280A1
Application number: DE19803033280
Authority: DE
Inventors: Uwe Karl Otto Dipl.-Phys. 7770 Überlingen Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1980-09-04
Filing date: 1980-09-04
Publication date: 1982-04-22
Also published as: DE3167091D1; EP0048212B1; EP0048212A1; DE3033280C2

Description

PATENTANWÄLTE DipL-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST

BÖKENBUSCH41 · D 5620 VELBERT 11-LANGENBERG Postfadi 110386 · Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895

^O Patentanmeldung

Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, D-7770 Überlingen/Bodensee Kurs-Lage-Referenzgerät

Die Erfindung betrifft ein Kurs-Lage-Referenzgerät enthaltend einen zweiachsigen Lagekreisel mit einer

*^w Drallachse, einer ersten Eingangsachse und einer zweiten Eingangsachse, die zu der ersten Eingangsachse senkrecht ist, einen ersten und einen zweiten Lageabgriff auf der ersten bzw. der zweiten Eingangsachse des Lagekreisels und einen ersten und einen zweiten Drehmomenterzeuger

auf der ersten bzw. der zweiten Eingangsachse des Lagekreisels.

Es sind als Kurs-Lage-Referenzgeräte Dreiachsen-Plattformen bekannt, bei denen die Plattform durch

Kardanrahmen um drei zueinander senkrechte Achsen im Raum stabilisiert wird. Solche Plattformen sind recht aufwendig. Es sind andererseits Kurs-Lage-Referenzgeräte in "Strap-Down"-Ausführung bekannt, bei denen Winkelgeschwindigkeiten mittels Wendekreiseln gemessen und Lagesignale durch Verarbeitung der von den Wendekreiseln und Neigungsfühlern gewonnenen Signale

] erhalten werden. Diese Anordnungen sind zwar in ihrem mechanischen Aufbau einfacher, erfordern aber einen höheren Signalverarbeitungsaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kurs-Lage-Referenzgerät zu schaffen, bei welchem mechanischer und Signalverarbeitungsaufwand in einem optimalen Verhältnis zueinander stehen und Kurs und Lage mit guter Genauigkeit erhalten werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

(a) das Gehäuse des Lagekreisels mit im wesentlichen horizontaler Drallachse und im wesentlichen horizontaler erster Eingangsachse auf einem Innenrahmen angeordnet ist,

(b) der Innenrahmen um eine zu der ersten Eingangsachse parallele Schwenkachse drehbar in einem Azimutrahmen gelagert ist,

(c) der Azimutrahmen seinerseits um eine gerätefeste, im wesentlichen vertikale Azimutachse drehbar gelagert ist,

(d) auf dem Innenrahmen ein erster Neigungssensor angeordnet ist, der auf eine Verschwenkung des Innenrahmens gegen die Horizontale um eine zur Schwenkachse des Innenrahmens und der Azimutachse senkrechte Achse anspricht,

(e) auf dem Innenrahmen ein zweiter Neigungssensor angeordnet ist, der auf eine Verschwenkung des Innenrahmens gegen die Horizontale um die Schwenkachse des Innenrahmens anspricht,

(f) ein dritter und ein vierter Neigungssensor gehäusefest angeordnet sind und auf Verschwenkungen des Gehäuses um zueinander und zu der Azimutachse senkrechte Achsen ansprechen,

(g) auf der Azimutachse ein Azimut-Winkelgeber angeordnet ist,

(h) auf der Schwenkachse des Innenrahmens ein erster Servomotor angeordnet ist, durch welchen der Innenrahmen gegenüber dem Azimutrahmen verdrehbar ist,

(i) auf der Azimutachse ein zweiter Servomotor angeordnet ist, durch welchen der Azimutrahmen gegenüber dem Gehäuse verdrehbar ist,

(j) auf den ersten Servomotor über Umschaltmittel wahlweise

das Signal des ersten Lageabgriffs des

Lagekreisels oder
das Signal des zweiten Lagesensors

aufschaltbar ist,
25

(k) auf den zweiten Servomotor das Signal des zweiten Lageabgriffs des Lagekreisels aufgeschaltet ist,

(1) auf den zweiten Drehmomenterzeuger des Lagekreisels on

das Signal des zweiten Neigungssensors aufgeschaltet ist,

(m) Signalverarbeitungsmittel vorgesehen sind, auf welche das Signal ψ „ des Azimut-Winkelgebers sowie die Signale des ersten, dritten und vierten Neigungs
und die

welche das Signal ψ „ des Azimut-Winkelgebers

2S
CC C

Neigungssensors L , L bzw. L aufgeschaltet sind

(m..) Mittel enthalten zur Bildung von sin * „,

I -ts

cos *_B, sin φ _B, cos 7 _ß, sin φ _A und cos φ _Λ, wobei * der Nickwinkel des Geräts ist, auf den der dritte Neigungssensor anspricht, Φ _ der Rollwinkel des Geräts, auf den der vierte Neigungssensor anspricht, und φ der Rollwinkel des Innenrahmens, auf den der erste Neigungssensor anspricht, 15

(m_?) Mittel zur Bildung des wahren Kurswinkels ψ aus der Beziehung

cos %

on tan4>-(t) = - tant.(t) - + tan<p_(t) sin # (t)

^{B C} cosT_B(t) ^{B B}

und

(m-.) Mittel zur Erzeugung eines Signals U^ (t) = - cos <F_A(t) ü _E sin Φ (t) ,

wobei Ω _ die Drehgeschwindigkeit der Erddrehung und Φ die geographische Breite ist, und

(n) das Signal U^(t) auf den zweiten Drehmomenterzeuger

des Lagekreisels aufgeschaltet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des

zweiachsigen Lagekreisels,

Fig. 2 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung und zeigt den Aufbau des Kurs-Lage-Referenzgeräts,

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm des Kurs-Lage-Referenzgeräts ,

Fig. 4 zeigt als Blockdiagramm die Signal-

verarbeitungsmittel.

Das Kurs-Lage-Referenzgerät enthält einen zweiachsigen Lagekreisel 10, der in Fig. 1 in seiner Funktion schematisch dargestellt ist. Der Lagekreisel enthält ein Gehäuse 12, das dem in Fig. 2 sichtbaren Gehäuse entspricht. In dem Gehäuse 12 ist ein Rahmen 14 um eine Achse 16 drehbar gelagert. In dem Rahmen 16 ist der Kreisel 18 um eine Achse 20, die senkrecht zur Achse 16 liegt, drehbar gelagert. Der Kreisel rotiert um eine Achse 22 (Drallachse) die senkrecht zu der Achse 20 verläuft. Der Drallvektor ist mit H bezeichnet. Auf der Achse 16, welche eine ersten Eingangsachse des zweiachsigen Lagekreisels darstellt, sitzt ein erster Lageabgriff 24. Auf der Achse 20, die eine zweite Eingängsachse des zweiachsigen Lagekreisels 10 darstellt, sitzt ein zweiter Lageabgriff 26. Weiterhin sitzt auf der ersten Eingangsachse 16 ein erster Drehmomenterzeuger 28, und auf der zweiten

^OJ Eingangsachse 20 sitzt ein zweiter Drehmomenterzeuger Der Kreisel definiert in der dargestellten Lage ein

Koordinatensystem, dessen χ- und y-Achse längs der Eingangsachsen 16 bzw. 20 verläuft. Die z-Achse verläuft senkrecht zu der x- und y-Achse, und der Drallvektor H des Kreisels 18 ist längs der z-Achse gerichtet.

In Fig. 2 ist das Gehäuse 12 so angeordnet, daß der Drallvektor H im wesentlichen horizontal liegt. Fig. zeigt auch die Koordinatenachsen x,y und ζ von Fig. 10

Das Gehäuse 12 des Lagekreisels 10 ist mit im wesentlichen horizontaler Drallachse H und im wesentlichen horizontaler erster Eingangsachse 16 (x-Achse) auf einem Innenrahmen 32 angeordnet. Der Innenrahmen ist um eine zu der ersten Eingangsachse 16 parallele Schwenkachse 34 drehbar in einem Azimutrahmen 36 gelagert. Der Azimutrahmen 36 ist seinerseits um eine gerätefeste im wesentlichen vertikale Azimutachse 38 drehbar gelagert.

Auf dem Innenrahmen 32 ist ein erster Neigungssensor angeordnet, der auf eine Verschwenkung des Innenrahmens gegen die Horizontale um eine zur Schwenkachse 34 des

Innenrahmens 32 und zu der Azimutachse 38 senkrechte Achse ■" anspricht. Der Neigungssensor 40 kann beispielsweise ein Beschleunigungsmesser sein, dessen Empfindlichkeitsachse parallel zu der Schwenkachse 34 verläuft. Auf dem Innenrahmen 32 ist ein zweiter Neigungssensor 42 angeordnet, der auf eine Verschwenkung des Innenrahmens

gegen die Horizontale um die Schwenkachse 34 des Innenrahmens 32 anspricht. Auch dieser Neigungssensor kann ein Beschleunigungsmesser sein, dessen Empfindlichkeitsachse parallel zur z-Achse des Kreisels verläuft.

033280

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, definiert der Innenrahmen

C C

32 ein Koordinatensystem mit χ -Achse, einer y -Achse

C C

und einer ζ -Achse. Die y -Achse verläuft parallel zu der Schwenkachse 34, die χ -Achse verläuft senkrecht

dazu im wesentlichen horizontal, und die ζ -Achse verläuft senkrecht zu den anderen beiden Achsen nach unten. In der dargestellten Ausgangslage ist der

Kreisel 10 mit der z-Achse parallel zur χ -Achse

orientiert.
10

Ein dritter und vierter Neigungssensor 44 bzw. 46 sind gehäusefest angeordnet und sprechen auf Schwenkungen des Gehäuses 48 um zueinander und zu der Azimutachse 38

senkrechte Achsen an.
15

Das Gehäuse 48 definiert wieder ein Koordinatensystem

("¹C C

mit einer χ -Achse, y -Achse und einer ζ -Achse. Die ζ -Achse ist dabei parallel zu der Azimutachse 38. Die Neigungsgeber 44 und 46 sind so angeordnet, daß der Neigungsgeber 44 auf eine Verschwenkung um die y -Achse und der Neigungsgeber 4 6 auf eine Verschwenkung um die χ -Achse anspricht. Es kann sich dabei um Beschleunigungsmesser handeln, deren Empfindlichkeits-

verlaufen.

C C

achsen parallel zu der χ -Achse bzw. der y -Achse

Auf der Schwenkachse 34 des Innenrahmens 3 2 ist ein erster Servomotor 50 angeordnet, durch welchen der

Innenrahmen 32 gegenüber dem Azimutrahmen 3 6 verdrehbar on

ist. Auf der Azimutachse 38 ist ein zweiter Servomotor 52 angeordnet, durch welchen der Azimutrahmen gegenüber dem Gehäuse 48 verdrehbar ist. Auf der Azimutsachse 38 ist weiterhin ein Azimut-Winkelgeber 54 angeordnet.

Dieser liefert über einen Verstärker 56 ein Winkel-

signal ψ , welches die Verdrehung des Azimutrahmens 36 gegenüber dem Gehäuse 48 um die Azimutachse 38 darstellt.

Auf den ersten Servomotor 50 ist über Umschaltmittel wahlweise das Signal des ersten Lageabgriffs 24 (Fig. 1) des Lagekreisels 10 oder das Signal des zweiten Lagesensors 42 aufschaltbar. Die Signale werden durch einen Verstärker 60 in geeigneter Weise verstärkt. Auf. den zweiten Servomotor 52 ist über einen Verstärker 62 das Signal des zweiten Lageabgriffs 26 des Lagekreisels 10 abgeschaltet.

Wie aus dem Blockdiagramm von Fig. 3 ersichtlich ist, ist außerdem auf den zweiten Drehmomenterzeuger 30 des Lagekreisels 10 das Signal des dritten Neigungssensors 44 über eine geeignete Filter- und Verstärkeranordnung

64 aufgeschaltet.
15

Das Signal des ersten Neigungssensors 40 wird über einen Analog-Digital-Wandler 66 ausgegeben und in noch zu beschreibender Weise Signalverarbeitungsmitteln zugeführt.
20

In Fig. 3 sind mit durchgezogenen Linien Signalleitungen bezeichnet, während die gestrichelten Linien mechanische Verbindungen symbolisieren.

^ Die Signalverarbeitungsmittel, die in Fig. 4 dargestellt sind, erhalten das Signal Ψ des Azimut-Winkelgebers 54 sowie die Signale L des ersten Neigungs-

G
sensors 40, L des dritten Neigungssensors 44 und

C ^X

L des vierten Neigungssensors 46. Sie enthalten Mittel

zur Bildung von 5ίηθ cos θ-^ , sin φ , cos φ _ß, sin Φ - und cos <p_a, wobei * der Nickwinkel des Geräts ist, auf den der dritte Neigungssensor 44 anspricht, <p_R der Rollwinkel des Geräts, auf den der vierte Neigungssensor 4 6 anspricht und φ , der RoIl-

winkel des Innenrahmens 32, auf den der erste Neigungssensor 40 anspricht. Die Signalverarbeitungsmittel

enthalten weiterhin Mittel zur Bildung des wahren Kurswinkels Ψ _. aus· der Beziehung

JB
c COS* (t)

tan Ψ _u (t) = - tan Φ (t) + tan ψ (t) sin * (t)

COS φ „(t)

sowie Mittel zur Erzeugung eines Signals

r

ur(t) = - cos φ,(t)Ω _ sin Φ (t) ,

wobei Ω die Drehgeschwindigkeit der Erddrehung und

^ die geographische Breite ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist wird das Signal U (t) auf den ersten Dreh-

^z

momenterzeuger 28 des Lagekreisels 10 aufgeschaltet.

Der Aufbau der Signalverarbeitungsmittel ist aus Fig. 4 ersichtlich.

GGC

Die Signale L , L , L von den Neigungssensoren 44,46 bzw. 40 werden durch Tiefpaßfilter 68,70 bzw. 42 gefiltert, um höherfrequente Fahrzeugschwingungen auszuschalten. Hierzu ist ein Tiefpaß zweiter Ordnung mit einer Zeitkonstanten von 4 bis 8 Sekunden bereits GG

ausreichend. Die so gefilterten Signale L , L und L liefern, wenn als Neigungssensoren Beschleunigungsmesser benutzt werden,

^Lx ⁼ - ^sin V

L = sin φ _ . cos ν
y B B

^Ly - ^Oil1 ' A *

1/

Bei den hier auftretenden kleinen Nick- und Rollwinkel kann aus den Sinus der Kosinus ohne Vorzeichenprobleme aus den Beziehungen

COS	•b	= +	Vi-sin² θ	I B
COS	φ	= +	/ 1-sin² φ	B ^Und
COS	ψ	=		■■ Ί A

gewonnen werden.

In Fig. 4 ist durch Block 74 dargestellt, daß auf diese Weise aus dem Signal - sin * _R das Signal cos * gewonnen wird. Aus dem Signal siny^ . cos*,. wird durch Division durch cos * _, dargestellt durch

Jd

Block 76, das Signal sin φ erhalten. Aus diesem wird wieder durch die Wurzelbeziehung, die durch Block 78 dargestellt ist, ein Signal cos ψ gewonnen. Aus dem Signal sin <p,. wird durch die Wurzelbeziehung, wie durch Block 80 dargestellt ist, ein Signal cos φ gewonnen. An Ausgängen 82 bis 92 erscheinen daher die Sinus und Kosinus der Lagewinkel.

Die Signale - sin * o, cos 9- , sin φ unc/cos φ_β werden Rechnermitteln 94 zusammen mit dem Signal ψ des Azimut-Winkelgebers 54 zugeführt, durch welche in dem Fachmann geläufiger Weise nach der Beziehung

cos * (t) tan ψ _ (t) = - tan Φ _ (t) + tan SF _n (t) sin * (t)

^{B C} cosiJt) ^{B B}

der Tangens des wahren Kurswinkels gebildet und an einem Ausgang 96 ausgegeben wird.

1S

Das Signal cos φ _s wird, wie durch Block 98 dargestellt ist, mit Q . sin φ multipliziert, wobei Q_ die Drehgeschwindigkeit der Erddrehung und φ die geographische Breite ist. An einem Ausgang 100 erscheint dann das Signal

(t) = -cos 9_A(t)Q_E sin Φ (t)

Dieses Signal wird, wie in Fig. 3 dargestellt ist, auf den D

schaltet.

'" auf den Drehmomenterzeuger 28 des Lagekreisels 10 ge

Durch die beiden Rahmen 32 und 36 ist das Kurs-Lage-Referenzgerät um zwei Achsen von den Bewegungen des ^ Fahrzeugs entkoppelt. Dies wird durch Aufschaltung der Abgriffsignale der Lageabgriffe 24 bzw. 26 des Lagekreisels auf den zugehörigen Servomotor 50 bzw. erreicht. Die Übertragungsfunktion der Verstärker 60 und 62 muß dabei so gewählt werden, daß die Servo-

kreise das gewünschte statische und dynamische Verhalten zeigen.

Vor dem Start wird das Gerät derart ausgerichtet, 25

C R

daß die χ -Achse mit der χ -Achse des erdfesten Koordinatensystems, also vorzugsweise der "Gitter-Nord" -Richtung eines ÜTM-Gitterkoordinatensystem zusammenfällt. Zu diesem Zweck wird der Innenrahmen 32 zunächst horizontal ausgerichtet, indem die Umschaltmittel 58 den Servomotor 50 auf den Neigungssensor 4 2

schalten.

Während der Fahrt soll dann die Ausrichtung des Lagekreisels 10 beibehalten werden. Zu diesem Zweck ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, der zweite Lagegeber 42 über die Filter- und Verstärkeranordnung 64 auf den Drehmomenterzeuger 30 geschaltet. Die

/IV

Entkopplung des Lagekreisels 10 von den Bewegungen des Fahrzeugs erfolgt nach Umschalten der ümschaltmittel in die dargestellte Lage dadurch, daß die Abgriffsignale des Lagekreisels 10 auf die Servomotoren 50 und 52 geschaltet sind. Bei einer Abweichung des Rahmens 3 2 von der horizontalen Ausrichtung liefert der Neigungssensor 42 ein Signal, welches über den Drehmomenterzeuger 30 ein Drehmoment auf den Kreisel ausübt. Dieses Drehmoment bewirkt eine Auslenkung des Kreisels um die Achse 16 und damit ein Signal am Abgriff 24. Dieses Signal bewirkt über den Stellmotor eine horizontale Ausrichtung des Rahmens 32.

Auf den Drehmomenterzeuger 28 des Kreisels 10 wird ein Signal ausgeschaltet, welches der in Richtung der Azimutachse 38 fallenden Komponente der Erddrehungen entspricht. Dadurch wird der Einfluß der Erddrehung kompensiert, der sonst (bei raumfest gehaltenem Kreisel) eine Drift des Kreisels relativ zu dem erdfesten Koordinatensystem zur Folge hätte.

Mit einem so ausgerichtet gehaltenen Kreisel wird die Signalverarbeitung wesentlich vereinfacht. Es ergibt sich eine hinsichtlich des Aufwands für mechanischen Aufbau und Signalverarbeitung besonders günstige Anordnung.

Claims

3033230

Patentanspruch

Kurs-Lage-Referenzgerät enthaltend

T5 einen zweiachsigen Lagekreisel mit einer Drallachse, einer ersten Eingangsachse und einer zweiten Eingangsachse, die zu der ersten Eingangsachse senkrecht ist,

einen ersten und einen zweiten Lageabgriff auf der *® ersten bzw. der zweiten Eingangsachse des Lagekreisels und

einen ersten und einen zweiten Drehmomenterzeuger auf der ersten bzw. der zweiten Eingangsachse des Lagekreiseis,.

dadurch gekennzeichnet, daß

(a) das Gehäuse (12) des Lagekreisels (10) mit im wesentlichen horizontaler Drallachse (14) und

im wesentlichen horizontaler ersten Eingangsachse (16) auf einem Innenrahmen (32) angeordnet ist,

(b) der Innenrahmen (32) um eine zu der ersten Ein-35

gangsachse (16) parallele Schwenkachse (34) drehbar in einem Azimutrahmen (36) gelagert ist,

(c) der Azimutrahmen (36) seinerseits um eine gerätefeste, im wesentlichen vertikale Azimutachse (38) drehbar gelagert ist,

(d) auf dem Innenrahmen (32) ein erster Neigungssensor (40) angeordnet ist, der auf eine Verschwenkung des Innenrahmens (32) gegen die Horizontale um eine zur Schwenkachse (34) des Innenrahmens (32) und der Azimutachse (38) senkrechte Achse anspricht,

(e) auf dem Innenrahmen (32) ein zweiter Neigungssensor (42) angeordnet ist, der auf eine Verschwenkung des Innenrahmens (32) gegen die Horizontale um die Schwenkachse (34) des Innenrahmens (32) anspricht,

(f) ein dritter und ein vierter Neigungssensor (44,46) gehäusefest angeordnet sind und auf Verschwenkungen des Gehäuses (48) um zueinander und zu der Azimut-

C O

achse (38) senkrechte Achsen (y , χ ) ansprechen,

(g) auf der Azimutachse (38) ein Azimut-Winkelgeber (54) angeordnet ist,

(h) auf der Schwenkachse (34) des Innenrahmens (32) ein erster Servomotor (50) angeordnet ist, durch welchen der Innenrahmen (32) gegenüber dem Azimutrahmen (36) verdrehbar ist,

(i) auf der Azimutachse (38) ein zweiter Servomotor (52) angeordnet ist, durch welchen der Azimutrahmen (38) gegenüber dem Gehäuse (48) verdrehbar

ist,
35

\ (j) auf den ersten Servomotor (50) über Umschaltitiittel (58) wahlweise

das Signal des ersten Lageabgriffs (24) des Lagekreisels (10) oder

das Signal des zweiten Lagesensors (42)

aufschaltbar ist,

(k) auf den zweiten Servomotor (52) das Signal des zweiten Lageabgriffs (26) des Lagekreisels (10) aufgeschaltet ist,

(1) auf den zweiten Drehmomenterzeuger (30) des Lagekreisels (10) das Signal des zweiten Neigungssensors (42) aufgeschaltet ist,

(m) Signalverarbeitungsmittel (Fig. 4) vorgesehen sind, auf welche das Signal _, des Azimut-Winkelgebers (54) sowie die Signale des ersten, dritten und vierten Neigungssensors (40,44,46) L , L bzw. L aufgeschaltet sind und die

(ITi₁) Mittel (68 bis 92) enthalten zur Bildung von sin „, cos _D, sin _,, cos _π, sin _ und

• Sd Sd Sd Sd Ά

cos _Δ, wobei der Nickwinkel des Geräts ist, auf den der dritte Neigungssensor (44) anspricht, der Rollwinkel des Geräts, auf

JD

den der vierte Neigungssensor (46) anspricht, und der Rollwinkel des Innenrahmens (32),

auf den der erste Neigungssensor (40) anspricht,

(m₂) Mittel (94) zur Bildung des wahren Kurswinkels _ aus der Beziehung ^B

cos* (t) tan ψ „ (t) = - tan Ψ_ρ (t) + tan φ (t) sin«· (t)

COST (t)

und

5 (m₃) Mittel (98) zur Erzeugung eines Signals

U^ (t) = - cos9_A(t)ö_E sin Φ (t) ,

wobei Ω die Drehgeschwindigkeit der Erd-10 drehung und Φ die geographische Breite ist, und

(n) das Signal U (t) auf den zweiten Drehmomenterzeuger

(30) des Lagekreisels (10) aufgeschaltet ist. 15